關于高精度電能表現場校驗儀設計探析

劉芬

摘 要：由于智能電網的普及，傳統的電能表現場校驗儀已不能滿足當前電力供應的需求，而三相電能表現場校驗儀由于其高精度、多功能、低成本的特點，已成為目前被業界普遍看好的適用于新的電力供應環境的電能表現場校驗儀。從三相電能表現場校驗儀的設計原理入手，對其硬件結構和電路設計進行了闡述，并對其測量算法進行了分析，深入探討了其在電能表現場校驗方面的優勢。

關鍵詞：現場校驗儀；高精度；電能表；A/D轉換器

中圖分類號：TM933.4 文獻標識碼：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2017.05.046

1 系統工作原理和硬件結構分析

1.1 電參量測量

三相電能表現場校驗儀在進行電參量測量時，經過精密電阻分壓、電流互感器的變換和高性能程控增益量程切換后，三相電壓和三相電流即被轉換成滿足ADC輸入要求的交流信號；然后以精確的電序在倍頻鎖相電路、高帶DSP和FPGA的控制下再轉換為數字信號輸送到DSP芯片中進行數字化交流信號的分析、運算，經過處理最終得到電參量的測量值，并進行輸出顯示打印。

1.2 電能表校驗

將被測電能表的低頻脈沖通過校驗儀的電能脈沖輸入接口接收，然后通過對電表常數和轉數的設定，利用電能表的輸出電能脈沖時間間隔換算出電能表的電能量，并與校驗儀檢測出的電能量進行對比，從而得出電能表實際的誤差百分比。

1.3 電能脈沖輸出

三相電能表現場校驗儀可以利用其DSP芯片的高速優勢，結合軟件方法快速提升電能表的瞬時功率，使電能值得到不斷累加并輸出一個高頻脈沖，而通過對高頻脈沖的分頻可得到低頻脈沖，輸出標準高低頻電能脈沖為fH=100 kHz 或10 kHz，fL=1 Hz。這種方法只需少量占用DSP的定時器資源即可完成標準高低脈沖的產生。

1.4 其他功能

三相電能表現場校驗儀的功能不僅僅是對電能表進行單純的校驗工作，還可顯示三相電壓和電流的向量圖，也可反映電能電中出現的接線錯誤等，同時還具有存儲和查詢數據的功能，并將這些數據向控制終端輸送。

2 核心部件工作原理與電路設計

2.1 倍頻鎖相電路

倍頻鎖相電路的設計原理是根據采樣速率與測量頻率之間的整倍數關系，采用DFT頻譜分析以達到完全消除誤差的理論進行相關電路的設計，由此產生基于測量信號整倍數的方波來實現對A/D轉換器的控制，獲得對同步整周期和跟蹤濾波的采樣數據。

三相電能表現場校驗儀采用了74HC4046A作為中倍頻鎖相電路的主芯片。由于相關電路具有實時跟蹤性，即使是被測信號的頻率發生了變化，倍頻鎖相電路依然可以在短時間內迅速鎖定被測信號，并使其始終滿足采樣速率與測量頻率之間的整倍數關系，從而實現一周內對多個點進行同步間隔采樣。

2.2 AD73360及其與DSP的接口

2.2.1 A/D轉換器的選擇

在對電參量的運算公式中，對于電壓和電流提出了同一時刻的對應值要求，因此需要同時進行電壓和電流的采樣工作，而實現對這兩個量值的同時采樣的方法主要有2種：①用一片單通道高速A/D轉換器與多片采樣保持器、多路模擬開關進行電路組合對6路信號采樣，然后利用模擬開關將信號送到A/D轉換器轉換。這種方法對成本要求不高，但對電路布置和編程的要求很高。②采用多通道高速A/D轉換器進行信號采集。目前，一種由AD公司推出的具有編程16位Σ-ΔA/D轉換器AD73360雖然存在速度較低的問題，但是由于其采樣率達到了64 K且抗干擾能力強、量化噪聲小、分辨率高和線性度好等優點，足以滿足高精度儀表的采樣要求，因此選定AD73360為三相電能表現場校驗儀的A/D轉換器。

2.2.2 TMS320LF2407與AD73360接口電路設計

TMS320LF2407與AD73360都擁有16位的同步串行口。這一點滿足了校驗儀的設計要求，但是TMS320LF2407的4總線結構不符合AD73360的6總線結構的通信標準。為滿足設計要求，必須進行對TMS320LF2407接口的總線擴展工作，以使其能與AD73360實現結構串行口的相連，從而滿足對數據的同步傳輸工作。

根據不同總線結構同步串行口的工作原理和時序分析，將TMS320LF2407的SPISTE接地，IOPE5與AD73360的RESET和CE相連接，控制AD73360的復位和串行口；AD73360的2個幀同步信號接成幀同步返回環方式，即輸出幀同步SDOFS作為輸入幀同步SDIFS，同時連接DSP的XINT1輸入端，作為DSP的收/發數據的幀同步信號，再通過軟件設計使DSP與AD73360實現有效的數據通信。

2.3 MCU與FPGA

MCU采用的是美國ATEML公司的產品ATmega16L，其特點是低功耗、低價格，由于其利用了RISC精簡指令集，在運行速度上明顯高于其他普通單片機，可以實現對液晶顯示器、打印機、鍵盤、串行E2PROM和擋位切換等的控制，且在抗干擾能力方面表現優秀。

FPGA則采用了xc2s30tq144-6。該設備是XILINX公司生產的SPARTAN2系列中一種，可以配合DSP完成對A/D轉換器的控制，完成電能表頻率、相位的測量。

3 軟件測量算法

高精度電能表現場校驗儀的功能一方面體現在對電能表相關電能數據的準確測量上，另一方面也體現在對相關數據的處理、運算上。以下對校驗儀主要測量項目的運算方法進行說明。

3.1 U，I測量

確定電壓、電流的周期性均方根值，其定義公式為：

如果將一個周期內連續變化的電壓值用一個周期內有限的電壓采樣數據量來代替，那么公式則變為：

式（2）中：ΔTn為連續2次采樣的間隔時間；un為第n次采樣時測得的電壓瞬時值；N為周期內的采樣點數。

由于鎖相電路進行的是周期定點采樣，因此可以確定采樣的間隔時間始終相等，由此得出根據周期內采樣點數計算電壓有效值的公式為：

3.2 有功功率測量

基于一相有功功率離散化測量公式：

得出三相有功功率測量公式為：

式（6）中：un，in分別為同一時刻測量采樣到的電壓和電流值。

3.3 無功功率測量

無功功率的測量是將電流進行數字式的移相90°，再與電壓乘積的周期性積分獲得，其公式為：

3.4 功率因數測量

相關公式為：

3.5 累計電能

累計電能分為有功電能和無功電能2類，可通過對有功功率和無功功率的連續累計獲得。

3.6 諧波分析

將采樣數據的離散序列進行基2.128點的DFT變換，可獲得各次諧波的有效值。在進行相關分析時，測量公式中都使用了多種數字濾波手段，以保證測量的精度。

4 結束語

針對供電部門為實現更高效的供電能力提升而提出的對電能表的高精度校驗要求，本文根據數字電能表的工作原理和方式，并結合了當前供電系統對電能表現場校驗儀的功能標準，提出了符合目前對各類型電能表進行現場校驗的高精度校驗儀的設計方案。由該方案設計制造出的三相電能表現場校驗儀經過實際運用，其精準度可達到0.05級，并且在抗干擾性、便攜性和適應復雜的測量環境方面表現出了優于其他同類設備的優勢，完全能夠滿足日常工作中對電能表的現場校驗要求，是有推廣價值的新型數字化高精度電能表現場校驗儀設計方案。

參考文獻

[1]楊華云，艾兵，江波，等.數字電能表現場校驗儀的研制[J].電測與儀表，2013（06）：53-57.

[2]徐祎卉.數字化電能表現場校驗技術研究現狀分析[J].通信電源技術，2016（02）：163-166.

〔編輯：劉曉芳〕